CN103197511B - 光刻机能量传感器的性能测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种光刻机能量传感器的性能测量装置和测量方法，装置由光源、起偏器、分束镜、测量光衰减片、转动控制器、待测能量传感器、参考光衰减片、参考能量传感器、多功能信号处理卡和计算机组成，该测量装置可分别对光刻机能量传感器的重复性、能量线性度和频率线性度进行高精度测量；本发明具有测量方法简单、易实现，成本低的特点。

Description

光刻机能量传感器的性能测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及光刻机，特别是一种光刻机能量传感器的性能测量装置和测量方法。

背景技术

光刻机是一种高精度超大规模集成电路的制造设备，其照明系统内部有一个用于测量曝光光束的能量的传感器。该能量传感器的工作原理是利用光电传感器把光信号转换成电信号，测量出电信号的强度，进而计算出能量传感器测量的光束能量大小。能量传感器在曝光过程中动态地监控曝光光束能量。光刻机的剂量控制基于能量传感器的测量值做反馈控制以实现设定剂量的曝光。

光刻机能量传感器作为曝光剂量控制的关键元件之一，其精度通常需达到千分之几甚至万分之几，因此它用于实际工作环境之前需进行高精度性能测量。

在先技术“光电探测器校准装置及其校准方法”（CN102890423A），公开了一种光电探测器校准装置及其校准方法，其原理是照明光通过分光棱镜分为第一测量光和第二测量光，光电探测器和绝对探测器分别测量第一测量光和第二测量光的光强，进而建立光电探测器和绝对探测器的关系，校准光电探测器的增益和偏置。该技术中光电探测器和绝对探测器同时对相同光束进行测量，避免了光源的脉冲不稳定和能量波动对测量准确性的影响。但是，光源偏振态的变化将影响分光棱镜的分光比，从而不同光束照明情况下第一测量光和第二测量光的光强比例不是一个常数，不能完全消除光源本身的问题对测量准确性影响。因此，在高精度性能测量中需考虑光源偏振态的影响。

发明内容

本发明的目的是在克服上述现有技术的不足的基础上提供一种光刻机能量传感器的性能测量装置及其测量方法，实现对光刻机能量传感器的高精度性能测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种光刻机能量传感器的性能测量装置，特点在于其构成包括光源、起偏器、分束镜、测量光衰减片、转动控制器、待测能量传感器、参考光衰减片、参考能量传感器、多功能信号处理卡和计算机，上述元部件的位置关系如下：

在所述的光源输出光束方向依次是所述的起偏器、分束镜、测量光衰减片、待测能量传感器，所述的分束镜与所述的光束成45°夹角，在所述的分束镜的反射光方向依次是所述的参考光衰减片和参考能量传感器，所述的测量光衰减片固定在所述的转动控制器转动轴上，所述的多功能信号处理卡的输入端分别与所述的待测能量传感器的输出端和参考能量传感器的输出端相连，所述的多功能信号处理卡的第一输出端与所述的转动控制器控制端相连，所述的多功能信号处理卡的第二输出端与所述的计算机的输入端相连。

所述的光源采用脉冲激光器，其重复频率300Hz内可调，出射能量为5mJ。

所述的参考能量传感器和待测能量传感器采用相同的能量传感器。

利用上述光刻机能量传感器的性能测量装置对光刻机能量传感器的测量方法，包括重复性、能量线性度和频率线性度的测量方法。

所述的光刻机能量传感器的重复性的测量方法，其步骤为：

开打光源，计算机通过所述的多功能信号处理卡（9）驱动所述的转动控制器（8），使测量光衰减片偏转一定角度，得到一定光强的测量光束；

光源输出一定重复频率的光束；

待测能量传感器和参考能量传感器同时测量一定时间，并记录测量光束和参考光束的光强；

关闭光源，以待测能量传感器测得的测量光束光强和参考能量传感器测得的参考光束光强的比值作为测量值，利用以下公式计算重复性：

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i,i=1~n,$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\mathrm{\μ})}^2}{n-1},}$

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{\μ}}\×100\%,$

其中，x_i为测量值，μ为测量值的平均值，n为测量的次数，σ为标准差。

所述的光刻机能量传感器的能量线性度的测量方法，其步骤为：

开打光源，输出一定重复频率的光束；

测量光衰减片偏转一定角度，得到一定光强的测量光束；

待测能量传感器和参考能量传感器同时测量一定时间，并记录测量光束和参考光束的光强，以待测能量传感器测得的测量光束光强和参考能量传感器测得的参考光束光强的比值的平均值作为测量值；

改变测量光衰减片的偏转角度来改变测量光束的光强，重复上述步骤，如此直到测量结束，关闭光源；

以测量光束的光强为自变量x、测量值为因变量y，采用最小二乘法进行线性拟合得到线性方程y=a*x+b，其中参数a和b分别为线性方程的斜率和截距；

根据线性方程y=a*x+b得到不同测量光束光强对应的拟合值，求测量值与拟合值的误差，计算能量线性度：

Δ_i＝x_i-x_ir,i＝1～n,

${\mathrm{Linearity}}_e=\frac{{\left|{\mathrm{\Δ}}_i\right|}_{\max }}{|x_{\max }-x_{\min }|}\×100\%,$

其中，x_i为测量值，x_ir为与测量值相对应的拟合值，Δ_i为测量值与拟合值的误差，n为测量值的个数，|x_max-x_min|为测量光束的光强测量范围，|Δ_i|_max为测量范围内测量值与拟合值的最大误差。

所述的光刻机能量传感器的频率线性度的测量方法，其步骤为：

测量光衰减片偏转一定角度，得到一定光强的测量光束；

开打光源，输出一定重复频率的光束；

待测能量传感器和参考能量传感器同时测量一定时间，并记录测量光束和参考光束的光强，以待测能量传感器测得的测量光束光强和参考能量传感器测得的参考光束光强的比值的平均值作为测量值；

改变光源输出光束的重复频率，重复上述步骤，如此直到测量结束，关闭光源；

利用以下公式计算频率线性度：

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i,i=1~n,$

Δ_i＝x_i-μ,i＝1～n,

${\mathrm{Linearity}}_f=\frac{{\left|{\mathrm{\Δ}}_i\right|}_{\max }}{\mathrm{\μ}}\×100\%,$

其中，x_i为测量值，μ为测量值的平均值，n为测量值的个数，Δ_i为测量值与平均值的误差，|Δ_i|_max为测量值与平均值的误差的最大值。

本发明利用起偏器得到线偏振光，消除了因光源发出的光束偏振态变化导致测量光束和参考光束的分光比发生变化对测量结果的准确性的影响；该测量装置可分别对光刻机能量传感器的重复性、能量线性度和频率线性度进行高精度测量；测量方法简单、易实现，成本低。

附图说明

图1是本发明光刻机能量传感器的性能测量装置的结构图；

图2是本发明测量光衰减片的透过率曲线；

图3是本发明光刻机能量传感器重复性测量步骤示意图；

图4是本发明光刻机能量传感器能量线性度测量步骤示意图；

图5是本发明光刻机能量传感器频率线性度测量步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1是本发明光刻机能量传感器的性能测量装置的结构图，也是本发明的最佳实施例。如图1所示，本发明光刻机能量传感器的性能测量装置，包括光源1、起偏器2、分束镜3、测量光衰减片4、转动控制器8、待测能量传感器5、参考光衰减片6、参考能量传感器7、多功能信号处理卡9和计算机10，上述元部件的位置关系如下：

在所述的光源1输出光束方向依次是所述的起偏器2、分束镜3、测量光衰减片4、待测能量传感器5，所述的分束镜3与所述的光束成45°夹角，在所述的分束镜3的反射光方向依次是所述的参考光衰减片6和参考能量传感器7，所述的测量光衰减片4固定在所述的转动控制器8转动轴上，所述的多功能信号处理卡9的输入端分别与所述的待测能量传感器5的输出端和参考能量传感器7的输出端相连，所述的多功能信号处理卡9的第一输出端与所述的转动控制器8控制端相连，所述的多功能信号处理卡9的第二输出端与所述的计算机10的输入端相连。

所述的光刻机能量传感器的性能测量装置，计算机10通过多功能信号处理卡9发出信号触发光源1；光源1发出的光束经起偏器2得到线偏振光，再经分束镜3分为测量光束和参考光束；测量光束经测量光衰减片4入射到待测能量传感器5；参考光束经参考光衰减片6入射到参考能量传感器7；待测能量传感器5和参考能量传感器7的输出信号由多功能信号处理卡9采集并输入到计算机10进行计算。

所述的光源1采用脉冲激光器，其重复频率300Hz内可调，出射能量为5mJ。

所述的参考能量传感器7的精度不高于待测能量传感器5，两者采用相同的能量传感器。

所述的测量光衰减片4的透过率曲线如图2所示，利用光学镀膜的方法使不同角度入射的光线的透过率不同，通过改变测量光衰减片4的偏转角度可改变测量光束的透过率；计算机10通过多功能信号处理卡9控制转动控制器8使测量光衰减片4偏转不同的角度以实现测量光束的不同光强衰减，从而得到不同光强的测量光束。

所述的参考光衰减片6用于衰减参考光束的光强从而调整参考能量传感器7的输出信号大小；

所述的转动控制器8采用高精度的步进电机或有限摆角电机。

本实施例中测量光刻机能量传感器的重复性的步骤如图3所示：

①设定测量光束的光强，计算机10通过多功能信号处理卡9控制转动控制器8使测量光衰减片4偏转一定角度得到一定光强的测量光束；

②打开激光器，计算机10通过多功能信号处理卡9发出控制信号使激光器输出一定重复频率的脉冲光束；

③待测能量传感器5和参考能量传感器7同时测量一定数量的脉冲光束，并记录测量光束和参考光束的光强；

④关闭激光器，计算机10通过多功能信号处理卡9发出控制信号关闭激光器；

⑤以待测能量传感器5测得的测量光束光强和参考能量传感器7测得的参考光束光强的比值作为测量值x_i，利用以下公式计算重复性：

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i,(i=1~n),$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\mathrm{\μ})}^2}{n-1},}$

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{\μ}}\×100\%,$

其中，x_i为测量值，μ为测量值的平均值，n为测量值的个数，σ为标准差。

本实施例中测量光刻机能量传感器的能量线性度的步骤如图4所示：

①打开激光器，计算机10通过多功能信号处理卡9发出控制信号使激光器输出一定重复频率的脉冲光束；

②设定测量光束的光强，计算机10通过多功能信号处理卡9控制转动控制器8使测量光衰减片4偏转一定角度得到一定光强的测量光束；

③待测能量传感器5和参考能量传感器7同时测量一定数量的脉冲光束并记录光强，以待测能量传感器5测得的测量光束光强和参考能量传感器7测得的参考光束光强的比值的平均值作为测量值x_i；

④改变测量光束的光强，计算机10通过多功能信号处理卡9控制转动控制器8改变测量光衰减片4的偏转角度来改变测量光束的光强，本实施例中测量光束的光强每次变化10%，重复上述步骤③；

⑤测量结束，关闭激光器，计算机10通过多功能信号处理卡9发出控制信号关闭激光器；

⑥最小二乘法线性拟合，以测量光束的光强为自变量x、测量值为因变量y，采用最小二乘法进行线性拟合得到线性方程y=a*x+b，其中参数a和b分别为线性方程的斜率和截距；

⑦根据线性方程y=a*x+b得到不同测量光束光强对应的拟合值，求测量值与拟合值的误差，计算能量线性度：

Δ_i＝x_i-x_ir,i＝1～n,

${\mathrm{Linearity}}_e=\frac{{\left|{\mathrm{\Δ}}_i\right|}_{\max }}{|x_{\max }-x_{\min }|}\×100\%,$

其中，x_i为测量值，x_ir为与测量值相对应的拟合值，Δ_i为测量值与拟合值的误差，n为测量值的个数，|x_max-x_min|为测量光束的光强测量范围，|Δ_i|_max为测量范围内测量值与拟合值的最大误差。

本实施例中测量光刻机能量传感器的频率线性度的步骤如图5所示：

①设定测量光束的光强，计算机10通过多功能信号处理卡9控制转动控制器8使测量光衰减片4偏转一定角度得到一定光强的测量光束；

②打开激光器，计算机10通过多功能信号处理卡9发出控制信号使激光器输出一定重复频率的脉冲光束；

③待测能量传感器5和参考能量传感器7同时测量一定数量的脉冲光束并记录光强，以待测能量传感器5测得的测量光束光强和参考能量传感器7测得的参考光束光强的比值的平均值作为测量值x_i；

④改变脉冲光束的重复频率，计算机10通过多功能信号处理卡9发出控制信号改变激光器输出的脉冲光束的重复频率，本实施例中脉冲光束的重复频率每次变化50Hz，重复上述步骤③；

⑤测量结束，关闭激光器，计算机10通过多功能信号处理卡9发出控制信号关闭激光器；

⑥求不同重复频率脉冲光束的测量值的平均值，计算测量值与平均值的误差，计算频率线性度：

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i,i=1~n,$

Δ_i＝x_i-μ,i＝1～n,

${\mathrm{Linearity}}_f=\frac{{\left|{\mathrm{\Δ}}_i\right|}_{\max }}{\mathrm{\μ}}\×100\%,$

其中，x_i为测量值，μ为测量值的平均值，n为测量值的个数，Δ_i为测量值与平均值的误差，|Δ_i|_max为测量值与平均值的误差的最大值。

本发明的特点在于：利用起偏器得到线偏振光，消除了因光源发出的光束偏振态变化导致测量光束和参考光束的分光比变化进而对测量结果的准确性产生的影响；该测量装置可分别对光刻机能量传感器的重复性、能量线性度和频率线性度进行高精度测量；测量方法简单、易实现，成本低。

本说明书中所述的只是本发明的最佳实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依据本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种光刻机能量传感器的性能测量装置，特征在于其构成包括光源(1)、起偏器(2)、分束镜(3)、测量光衰减片(4)、转动控制器(8)、待测能量传感器(5)、参考光衰减片(6)、参考能量传感器(7)、多功能信号处理卡(9)和计算机(10)，上述元部件的位置关系如下：

在所述的光源(1)输出光束方向依次是所述的起偏器(2)、分束镜(3)、测量光衰减片(4)、待测能量传感器(5)，所述的分束镜(3)与所述的光束成45°夹角，在所述的分束镜(3)的反射光方向依次是所述的参考光衰减片(6)和参考能量传感器(7)，所述的测量光衰减片(4)固定在所述的转动控制器(8)转动轴上，所述的多功能信号处理卡(9)的输入端分别与所述的待测能量传感器(5)的输出端和参考能量传感器(7)的输出端相连，所述的多功能信号处理卡(9)的第一输出端与所述的转动控制器(8)控制端相连，所述的多功能信号处理卡(9)的第二输出端与所述的计算机(10)的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的光刻机能量传感器的性能测量装置，其特征在于所述的光源(1)采用脉冲激光器，其重复频率300Hz内可调，出射能量为5mJ。

3.根据权利要求1所述的光刻机能量传感器的性能测量装置，其特征在于所述的参考能量传感器(7)和待测能量传感器(5)采用相同的能量传感器。

4.利用权利要求1所述的光刻机能量传感器的性能测量装置对光刻机能量传感器的测量方法，特征在于包括重复性、能量线性度和频率线性度的测量方法。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于所述的光刻机能量传感器的重复性的测量方法，包括步骤为：

打开光源，计算机通过所述的多功能信号处理卡(9)驱动所述的转动控制器(8)，使测量光衰减片偏转一定角度，得到一定光强的测量光束；

光源(1)输出一定重复频率的光束；

待测能量传感器和参考能量传感器同时测量一定时间，并记录测量光束和参考光束的光强；

关闭光源，以待测能量传感器测得的测量光束光强和参考能量传感器测得的参考光束光强的比值作为测量值，利用以下公式计算重复性：

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i,i=1~n,$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\mathrm{\μ})}^2}{n-1}},$

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{\μ}}\×100\%,$

其中，x_i为测量值，μ为测量值的平均值，n为测量的次数，σ为标准差。

6.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于所述的光刻机能量传感器的能量线性度的测量方法，其步骤为：

打开光源，输出一定重复频率的光束；

测量光衰减片偏转一定角度，得到一定光强的测量光束；

待测能量传感器和参考能量传感器同时测量一定时间，并记录测量光束和参考光束的光强，以待测能量传感器测得的测量光束光强和参考能量传感器测得的参考光束光强的比值的平均值作为测量值；

改变测量光衰减片的偏转角度来改变测量光束的光强，重复上述步骤，如此直到测量结束，关闭光源；

以测量光束的光强为自变量x、测量值为因变量y，采用最小二乘法进行线性拟合得到线性方程y＝a*x+b，其中参数a和b分别为线性方程的斜率和截距；

根据线性方程y＝a*x+b得到不同测量光束光强对应的拟合值，求测量值与拟合值的误差，计算能量线性度：

Δ_i＝x_i-x_ir,i＝1～n,

${\mathrm{Linearity}}_e=\frac{{\left|{\mathrm{\Δ}}_i\right|}_{\max }}{|x_{\max }-x_{\min }|}\×100\%,$

其中，x_i为测量值，x_ir为与测量值相对应的拟合值，Δ_i为测量值与拟合值的误差，n为测量值的个数，|x_max-x_min|为测量光束的光强测量范围，|Δ_i|_max为测量范围内测量值与拟合值的最大误差。

7.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于所述的光刻机能量传感器的频率线性度的测量方法，其步骤为：

测量光衰减片偏转一定角度，得到一定光强的测量光束；

打开光源，输出一定重复频率的光束；

待测能量传感器和参考能量传感器同时测量一定时间，并记录测量光束和参考光束的光强，以待测能量传感器测得的测量光束光强和参考能量传感器测得的参考光束光强的比值的平均值作为测量值；

改变光源输出光束的重复频率，重复上述步骤，如此直到测量结束，关闭光源；

利用以下公式计算频率线性度：

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i,i=1~n,$

Δ_i＝x_i-μ,i＝1～n,

${\mathrm{Linearity}}_f=\frac{{\left|{\mathrm{\Δ}}_i\right|}_{\max }}{\mathrm{\μ}}\×100\%,$

其中，x_i为测量值，μ为测量值的平均值，n为测量值的个数，Δ_i为测量值与平均值的误差，|Δ_i|_max为测量值与平均值的误差的最大值。